热工学-第1章-建筑热工学基本原理

第二篇建筑热工学吉林大学珠海学院建筑系赵凤杰什么是建筑热工学？建筑热工学是研究建筑物室内外热湿作用对建筑围护结构和室内热环境的影响，是建筑物理的组成部分。建筑热工学的主要任务什么？是研究如何创造适宜的室内热环境，以满足人们工作和生活的需要。建筑物既要抗御严寒、酷暑，又要把室内多余的热量和湿气散发出去。对于特殊建筑，如空调房间、冷藏库等不仅要考虑热工性能，而且还要考虑投资和节能等问题。建筑热工学的研究范围包括?1)室外热湿参数及其对室内热环境的影响，2)建筑材料热物理性能，3)房屋热稳定性，4)建筑热工测试的技术以及特殊建筑热工，如空调房间热工设计、地下建筑传热等。第一章建筑热工学基础知识第二章建筑围护结构的传热原理和计算第三章建筑保温和节能设计第四章建筑防潮设计第五章建筑防热和节能设计第六章建筑日照和遮阳本篇章节建筑物常年经受室内外各种气候因素的作用。属于室外的气候因素有太阳辐射、室外空气的温湿度、风、雨、雪和地下建筑物周围的土壤或岩体的温度和裂隙水等。这些因素所起的作用，统称为室外热湿作用。由于室外热湿作用经常变化，建筑物围护结构本身及由其围成的内部空间的室内热环境也随之产生相应的变化。第一章建筑热工学基础知识属于室内的气候因素有进入室内的阳光、空气温湿度、生产和生活散发的热量和水分等。这些因素所起的作用，统称为室内热湿作用。室内外热湿作用的各种参数是建筑设计的重要依据，它不仅直接影响室内热环境，而且在一定程度上影响建筑物的耐久性。第一章建筑热工学基础知识第一章建筑热工学基础知识第一节室外热环境第二节围护结构传热的基本方式第三节描述湿空气的物理量第四节室内热环境一、地区性气候及其特征对建筑的影响二、气候与地方特征的技术策略三、建筑气候分区及对建筑热工设计的基本要求四、影响建筑设计的气候因素第一节室外热环境室外热环境是指作用在建筑外围护结构上的一切热物理量的总称；是室外气候的组成部分，是建筑设计的依据；建筑外围护结构的主要功能即在于抵御或利用室外热环境的作用。因此，要做好建筑热环境设计，必须掌握室外气候学的基本知识，熟悉建筑与气候的关系。第一节室外热环境1、气候因素（日照、降水、温度、湿度等）直接影响建筑的功能、形式、围护结构。决定了建筑的形式是紧凑的还是疏松的？是封闭的还是开敞的？是厚重的还是轻盈的？是平屋顶还是坡屋顶……所有这些构成了乡土建筑的最基本特征。2、气候与其它相关因素共同影响建筑。例如气候条件决定了一个地区的水源、植被状况，对地质土壤也有一定程度的影响，从而大体上限定了该地区的建筑材料。一、地区性气候及其特征对建筑的影响3、气候还会影响人、社会审美等方面的差异性，最终间接而又鲜明的影响到建筑本身。第一节室外热环境①建筑本身适应地域气候；②建筑所使用的材料尽可能的就地取材；③利用本地廉价劳动力，采取一种手工式、劳动密集型的作业方式；④建筑形式多采取低层高密度的模式；⑤采用一种可逐渐增长的模式，便于改建和扩建；⑥注重地方文化和民俗习惯，体现人文建筑。二、气候与地方特征的技术策略第一节室外热环境不同的气候条件对房屋建筑提出不同的要求。炎热地区需要通风、遮阳、隔热，以防止室内过热。寒冷地区需要采暖、防寒和保温。三、建筑气候分区及对建筑热工设计的基本要求为了明确建筑和气候两者的科学联系，使建筑可以充分地利用和适应气候条件，做到因地制宜，我国和世界分别进行了气候分区。第一节室外热环境三、建筑气候分区及对建筑热工设计的基本要求我国的气候分为五大区第一节室外热环境三、建筑气候分区及对建筑热工设计的基本要求我国的气候分为五大区严寒地区寒冷地区夏热冬冷地区夏热冬暖地区温和地区寒冷地区严寒地区寒冷地区严寒地区第一节室外热环境三、建筑气候分区及对建筑热工设计的基本要求我国的气候分为五大区第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素我国幅员辽阔，地形复杂，各地区气候差异悬殊，北方的大陆性气候、沿海的海洋性气侯、南方的湿热气候、云南的高原气候、四川的盆地气候、吐鲁番的沙漠性气候等。结合气候设计的五大要素：1、太阳辐射2、空气温度3、气压与风4、大气湿度5、降水第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素1、太阳辐射太阳是一个直径相当于地球110倍的高温气团，其表面温度约为6000K左右，内部温度则高达2×107K。太阳表面不断以电磁辐射形式向宇宙空间发射出巨大的能量，其辐射波长范围为从波长为0.1m的X射线到波长达100m的无线电波。地球接受的太阳辐射能约为1.7×1014kw，占太阳辐射总能量的二十亿分之一左右。太阳辐射是地球上所有能源的根本来源，气温变化、风的形成等气象现象直接或间接受其影响。第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素1、太阳辐射直射散射第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素1、太阳辐射在地球表面上，太阳光谱的波长范围约在0.28~3.0微米之间。太阳光谱可大致划分为三个区段：紫外线、可见光（可见光的波长：0.38至0.76微米）、红外线。①太阳常数▲在地球大气层外，太阳与地球的平均距离处，与太阳光线相垂直的表面上、单位面积、单位时间里所接收到的太阳辐射能称为太阳常数。▲理论上，天文太阳常数I0‘=1395.6W/m2；气象太阳常数I0=1256W/m2。第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素1、太阳辐射②长波辐射与短波辐射▲凡是起源于太阳的辐射，包括地球上水面、玻璃和混凝土对太阳辐射的反射以及天空和云层的散射均属短波辐射。▲建筑物这一部分和另一部分之间通常传递的辐射能以及最后辐射输出的能都是长波辐射。③直射辐射与散射辐射▲太阳辐射在透过大气层到地面的过程中又受到大气层中臭氧、水蒸气、二氧化碳等的吸收和反射而减弱。其中一部分穿过大气层直接辐射到地面的称为直射辐射；被大气层吸收后，再辐射到地面的称为散射辐射。第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素2、空气温度●室外空气温度取决于地球表面温度▲室外气温通常指距地面1.5m高、背阴处的空气温度。▲室外气温的主要影响因素有太阳辐射照度、气流状况、地面覆盖情况以及地形等等。▲空气温度取决于地球表面温度▲温度的年变化和日变化第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素2、空气温度●室外气温与城市热岛现象▲在建筑物与人口密集的大城市，由于地面覆盖物吸收的辐射热多，发热体也多，形成城市中心的温度高于郊区，即“城市热岛”现象。▲热岛现象的存在，使市中心温度较高的空气由于质量轻而向上升，郊区地面的较冷空气则从四面八方流向城市。市区热空气携带的一部分烟尘滞留在城市上空，一部分较重的在郊区沉降，污染地面，因此在城市规划中应减弱或避免产生热岛现象。▲热岛现象也有明显的日变化和年变化，一般冬季强夏季弱，夜晚强白天弱。第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素2、空气温度●避免或减弱热岛现象的措施：▲在城市中增加水面设置、扩大绿化面积。由于水的热容量大，并且可以通过蒸发吸收热量。绿化则除蒸发吸热外，对日辐射还有一定的反射作用，尤其在夏季日辐射照度很大时，可以显著降低周围的空气温度-------绿化可以改善建筑周围小气候。▲避免方形、圆形城市面积的设计，多采用带形城市设计。第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素3、气压与风风的类型（1）大气环流：由于太阳辐射热在地球照射不均匀，使得赤道和两极之间出现温差，从而引起大气在赤道和两极之间产生活动，即为大气环流（2）地方风：局部地区受热不均引起的小范围内的大气流动，如海陆风、山谷风、林原风。风是指由大气压力差引起的大气水平方向的运动。第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素3、气压与风季风▲季风系，是由于海、陆加热量的年差所造成的。夏季冬季冬季第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素3、气压与风海陆风▲海陆风，发生于山谷之处；沿海一带又有日风和夜风▲在白天，陆上的空气温度较同一纬度海上的空气温度为高，热气上升，海上的冷气流即吹向内陆。在夜间，此过程相反。第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素3、气压与风山谷风▲在山区，局部的温差会造成局部地风型第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素3、气压与风风向和风速▲风主要是由于地球表面接受的日辐射不均匀所引起的空气流动造成的,同时受到地形、地势、地表覆盖、水陆分布等局部分布的影响，对一个地区来说风的变化有一定规律。▲地区的风向频率图（又称风玫瑰图）表示当地的风向规律。第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素3、气压与风冬季风向＋风速＋频率＝风玫瑰图风力等级陆地地面征象距地10m高处的相当风速(m/s)0静，烟直上0~0.21烟能表示方向，但风向标不能转动0.3~1.52人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动1.6~3.33树叶及微枝摇动不息，旌旗展开3.4~5.44能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动5.5~7.95有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波8.0~10.76大树枝摇动，举伞困难10.8~13.87全树摇动，迎风步行感觉不便13.9~17.18树枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大17.2~20.79建筑物有小损，烟囱顶部及平屋摇动20.8~24.410可使树木拔起或使建筑物损坏较重，陆上少见24.5~28.411陆上很少见，有则必有广泛破坏28.5~32.612陆上绝少见，摧毁力极大32.7~36.9冬季风向频率分布图风速频率分布图第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素3、气压与风城市规划风向分区图季节变化区主导风向区全年西风主导风向区冬季西风夏季东风主导风向区全年西南风无主导风向区准静风区第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素3、气压与风第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素4、大气湿度●空气湿度，是指大气中的水蒸气含量，湿度的表示可以用绝对湿度、相对湿度以及大气中水蒸气分压力来表示。▲温度的日变化和年变化影响空气湿度如下图▲水蒸气压力主要随季节而变，通常夏季高于冬季。▲水蒸气压力在竖向高度上的递减量较气压的递减更快，因此，水蒸气的浓度随着海拔高度而降低。水蒸气压力最大的年变化发生在季风影响的区域内；这些季风从海洋上带来了热的湿空气，又从内陆带来了干燥的空气。从大地蒸发出来的水蒸气进入大气层，经过凝结后又降到地面上的液体或固态水分称为降水，雨、雪、冰雹都是降水现象。降水性质由降水量、降水时间、降水强度等来描述第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素5、降水降水量：指一定时间内液态或者固态降水，未经蒸发，渗透或者流失而在水平面积累的水层厚度，单位mm降水时间：指一次降水过程从开始到结束的持续时间，单位：h/min降水强度：单位时间的降水量。等级以24小时的总量来划分小雨10mm，中雨10～25mm，大雨25～50mm，暴雨50～100mm华南地区雨季：5～10月，长江流域6～9月（梅雨）。降水量分布图第一节室外热环境四、影响建筑设计的气候因素5、降水第一章建筑热工学基础知识第一节室外热环境第二节围护结构传热的基本方式第三节描述湿空气的物理量第四节室内热环境一、导热二、对流二、辐射传热的基本概念吸热放热导热围护结构冷空气热空气热量传递（热流）第二节围护结构传热的基本方式传热：各种热量传递过程的总称。温差是传热的动力。稳定传热过程：传热过程中各点温度不随时间变化。不稳定传热过程：传热过程中各点温度随时间变化。第二节围护结构传热的基本方式传热的基本方式围护结构冷空气热空气吸热吸热放热放热导热导热对流辐射对流辐射导热第二节围护结构传热的基本方式热量的传递方式：导热、对流、辐射。一、导热导热：当物体各部分之间不发生相对位移，或不同的物体直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。导热可在固体、液体和气体中发生单纯的导热只发生在密实固体中第二节围护结构传热的基本方式导热的简单计算单位时间通过面积为F的平壁的导热量为：FTTdQ)(21如果平壁两个表面的温度不随时间变化，并且T1T2，那么：)(21TTdFQq单位时间单位面积的平壁的导热量为（热流强度/热流密度）：一、导热第二节围护结构传热的基本方式T1